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解讀NIR為何成為當(dāng)前機(jī)器視覺應(yīng)用的必要條件

MEMS ? 2017-11-28 16:12 ? 次閱讀

習(xí)慣上機(jī)器視覺被定義為:用于檢查、過程控制及自動(dòng)導(dǎo)航的電子成像。在機(jī)器視覺應(yīng)用中,計(jì)算機(jī)(不是人類)使用成像技術(shù)來捕獲圖像作為輸入來實(shí)現(xiàn)提取和傳遞信息輸出的目的。據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道,除傳統(tǒng)工業(yè)應(yīng)用,先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)和虛擬現(xiàn)實(shí)(AR/VR)技術(shù)及智能安全系統(tǒng)的機(jī)器視覺能力均要求使用先進(jìn)的數(shù)字成像技術(shù)。該技術(shù)可使機(jī)器視覺在低光或無光條件下“看得”更清晰、更遠(yuǎn),由于無需可見光源,所以不會(huì)干擾人類正?;顒?dòng)。從以往的經(jīng)驗(yàn)來看,機(jī)器視覺技術(shù)需要依賴于大量光源來捕捉圖像,可用光源包括熒光、石英鹵素、LED、金屬鹵化物(汞)以及氙氣。當(dāng)單獨(dú)使用其中一種光源時(shí),就需要耗費(fèi)大量能耗,且生成的圖像質(zhì)量很差。如此來看,這些光源并不能滿足已超越傳統(tǒng)工業(yè)應(yīng)用范疇的使用需求。AR/VR、安全系統(tǒng)以及ADAS駕駛監(jiān)控采用了眼動(dòng)追蹤、面部識(shí)別、手勢控制和人臉識(shí)別技術(shù),以及集成了帶有夜視功能的ADAS環(huán)視(surround-view)攝像頭等功能,但這些應(yīng)用要達(dá)到預(yù)期的效果,均需要可見光光譜以外的照明。在過去幾年中,數(shù)字近紅外(NIR)成像技術(shù)的進(jìn)步已徹底革新了機(jī)器視覺和夜視的能力。NIR為何是當(dāng)前機(jī)器視覺應(yīng)用的必要條件?NIR用于在可見光光譜范圍之外的物體或場景照明,并使攝像頭能夠在超出人類視覺能力的低光或無光情況下“看到”。雖然在某些應(yīng)用中低級(jí)別LED仍需增加NIR,但NIR需要的電能非常少且?guī)缀醪粫?huì)干擾用戶。在如AR/VR或駕駛監(jiān)控系統(tǒng)等應(yīng)用中,NIR的這些特點(diǎn)對(duì)于精確地眼動(dòng)追蹤和手勢控制是非常重要的。而在安全攝像頭應(yīng)用的案例中,NIR可在入侵者不知情的情況下監(jiān)控他們。此外,NIR在夜視條件下比可見光產(chǎn)生更多光子,該特點(diǎn)使其成為夜視應(yīng)用的理想選擇。舉例說明,下面我們?cè)贏DAS系統(tǒng)中,比較夜視條件下兩種方法的優(yōu)劣。其中一家汽車制造商使用了一種被動(dòng)式遠(yuǎn)紅外(FIR)系統(tǒng),它可根據(jù)物體熱量記錄圖像并顯示為明亮的負(fù)像。雖然能探測的有效距離高達(dá)980英尺,但由于它是依賴于物體發(fā)出的熱量來記錄,所以產(chǎn)生的圖像并不清晰。而另一家汽車制造商采用了NIR技術(shù),該技術(shù)可在黑暗中產(chǎn)生鮮明清晰的圖像,就好像用汽車遠(yuǎn)光燈照著拍攝一樣。不管物體溫度如何,其圖像均可被捕捉到。但是,該NIR系統(tǒng)的最大有效探測距離為600英尺。NIR的局限性大多數(shù)情況下,NIR相比其它替代方法的改進(jìn)顯著,但使用它并不是沒有挑戰(zhàn)。NIR成像系統(tǒng)的有效范圍與其靈敏度直接相關(guān)。最好條件下,目前的NIR傳感器結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)≤ 800nm的靈敏度。如果可將NIR成像系統(tǒng)的靈敏度增加到850 nm或更高時(shí),那么就可進(jìn)一步擴(kuò)大其有效距離。NIR光學(xué)成像的有效距離是由兩個(gè)關(guān)鍵測量參數(shù)決定:量子效率(QE)和調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF)。成像儀的QE代表其捕獲的光子與轉(zhuǎn)化為電子的光子的比率。QE越高,NIR照明距離就越遠(yuǎn),圖像也就越亮。100%的QE意味著所有被捕獲的光子都被轉(zhuǎn)化為電子,從而可實(shí)現(xiàn)最亮的可能圖像。但目前,即使是最好的NIR傳感器技術(shù)也只實(shí)現(xiàn)了58%的QE。MTF則是測量圖像傳感器以特定分辨率從物體到圖像的傳遞對(duì)比能力。MTF越高,圖像就越清晰。MTF受到從像素跳出的電子信號(hào)噪聲的影響。因此,為了維持穩(wěn)定的MTF并實(shí)現(xiàn)清晰的圖像,電子需要時(shí)刻保持在像元中。

圖1 該模擬圖像可顯示低MTF與高M(jìn)TF之間的明顯差別現(xiàn)有解決方案面臨的挑戰(zhàn)當(dāng)在不可見條件下中使用NIR時(shí),NIR的波長就會(huì)增加。其結(jié)果就是硅的QE就會(huì)減弱,而晶體中光子的轉(zhuǎn)化效率就會(huì)降低。因此要想產(chǎn)生相同數(shù)量的光子,就需要更厚的硅。所以,傳統(tǒng)增加QE的方法就是使用厚硅。與薄硅相比,使用厚硅可增加光子吸收的機(jī)會(huì),提供更高QE并增強(qiáng)信號(hào)強(qiáng)度。在單像元探測器的案例中,使用厚硅可提高NIR的QE到90%以上。然而,如果該應(yīng)用要求更小像元而持續(xù)增加硅厚度,當(dāng)硅的厚度增加到100 μm時(shí),就會(huì)導(dǎo)致光子跳到鄰近像元中,產(chǎn)生串?dāng)_,這樣反而會(huì)減少M(fèi)TF。結(jié)果就是,雖然圖像傳感器對(duì)NIR照明更敏感,但其分辨率卻更低,所形成的圖像明亮卻模糊。解決此問題的一種方法是,使用深槽隔離(DTI)技術(shù),在像素間建立阻擋層。雖然標(biāo)準(zhǔn)DTI已經(jīng)被證實(shí)可以改善MTF,但它也可產(chǎn)生破壞圖像暗區(qū)的缺陷。這便給致力于為機(jī)器視覺應(yīng)用提高NIR照明的公司帶來了難題。技術(shù)突破近期已有了一些技術(shù)突破,解決了只能使用厚硅來增加光子吸收的問題。首先,升級(jí)后的DTI方法是開發(fā)利用先進(jìn)的300mm制造工藝,在相鄰像元間建立硅氧化物阻擋層,可導(dǎo)致氧化物與硅之間的折射率改變,從而在同一像素內(nèi)形成光學(xué)限制。與傳統(tǒng)的DTI不同,升級(jí)后的DTI并不是使溝槽變寬,而是使其變深,溝槽依然很窄,這樣有助于控制光子。其次,在晶圓表面實(shí)現(xiàn)了一種類似于太陽能電池加工中金字塔結(jié)構(gòu)的吸收結(jié)構(gòu),用于制造散射光學(xué)層。小心地實(shí)現(xiàn)該光學(xué)層可防止在圖像暗區(qū)出現(xiàn)瑕疵,并進(jìn)一步增加硅中光子的路徑長度。這種結(jié)構(gòu)的形狀使得硅內(nèi)部的光路徑更長,而不是筆直地向上或向下。通過光波路徑分解并使其散射開來,可對(duì)光路徑長度產(chǎn)生影響。其結(jié)果是,吸收結(jié)構(gòu)中的光反射光線在上像乒乓球一樣來回反射,增加了其吸收概率。確保吸收結(jié)構(gòu)角度的精準(zhǔn)性對(duì)散射光層的有效性至關(guān)重要。如果角度是錯(cuò)的,它就可能導(dǎo)致光子反射到下一個(gè)像元,而不是回到原來的像元。

圖2 吸收結(jié)構(gòu)的形狀會(huì)使硅內(nèi)部的光路徑變長,而不是筆直地向上或向下結(jié)論通過與代工廠合作伙伴的密切合作,豪威科技(OmniVision)開發(fā)了Nyxel NIR技術(shù),該技術(shù)解決了經(jīng)常困擾NIR開發(fā)的性能問題。通過厚硅和升級(jí)后DTI的結(jié)合,并利用光散射層來管理表面紋理,與OmniVision上一代傳感器相比,使用Nyxel技術(shù)的傳感器可將QE效能提升到先前的3倍,從而使NIR的靈敏度達(dá)到850nm,且不會(huì)造成其他圖像質(zhì)量指標(biāo)退化。該結(jié)果是令人信服的。配備了此項(xiàng)技術(shù)的傳感器可在極低的光照條件、探測更遠(yuǎn)距離的圖像,提供更高的圖像質(zhì)量,并且工作時(shí)所需的光源輸入和功耗均減少,從而滿足了如AR/VR、 ADAS和夜視應(yīng)用等先進(jìn)機(jī)器視覺的新要求。

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原文標(biāo)題:近紅外成像技術(shù)促進(jìn)機(jī)器視覺的新發(fā)展

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